CN105852884B - 一种基于周围血管应变的认知负载和压力测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于周围血管应变的认知负载和压力测量方法，通过透射式或者反射式光电传感器采集血管容积波信号，并进行滤波，消除噪声；进行瞬时周围血管应变特征提取；通过动态滑动窗口整理和基于统计学的数据调制，获得连续稳定的sVRI输出；最后使用sVRI评估认知负载和压力水平，本发明还提供了相应的测量装置，不同于传统的基于周围血管扩张程度测量方法，本发明中sVRI使用了PPG信号相邻波段振幅比值，实验发现该指征对于认知负载和压力的反映能力更加灵敏和可靠；本发明基于周围血管应变的认知负载和压力测量技术在测量人的认知负载和心理压力等心理活动时的灵敏度、可靠性和个体差异等方面具有比较明显的优势，并可以实时测量，很好地应用在普适环境中。

Description

一种基于周围血管应变的认知负载和压力测量方法与装置
技术领域
本发明属于信息技术领域，特别涉及一种基于周围血管应变的认知负载和压力测量方法与装置。
背景技术
认知负载是是信息处理时学习者所感受到的施加在其认知体系——工作记忆中的载荷。心理投入是指学习者分配给任务的认知容量，反映了认知负荷的实际水平，可以作为认知负载的测量指标。当认知负荷或心理投入超过了学习者的认知容量，就会产生压力，并阻碍学习处理任务。所以认知负载会影响学习者的行为策略和表现结果，并可以导致学习者生理及心理过程的变化。也因此测量认知负载和压力具有重要的价值。
目前常用的认知负载和压力的测量方式，主要基于人体植物神经，包括心率、HRV、血压等，虽然可用来帮助测量心理压力，但是由于这些指征在生理机制上同时受控于交感神经(SNS)和副交感神经(PNS)，最终结果也因此反映的是二者活动的叠加，同样的测量结果可能来自完全不同的心理活动，在测量的灵敏度和准确度方面任有较明显的缺点，且往往需要多种方法一起使用。
和HRV、血压、呼吸灯同时受控于交感和副交感神经的指征不同，皮电和周围血管扩张程度两种生理指标仅受控于交感神经，被认为具有很好的认知负载和压力测量潜力。但是皮电容易受非心理诱因(如环境)导致的汗液影响，测量灵敏度和可靠性方面不如周围血管扩张程度。Iani等人在2004年发现，周围血管扩张程度可以灵敏的反映心理投入和压力程度，而基于PPG(Photo-plethysmography，血管容积波)波形振幅反映的周围血管扩张程度测量方式，也具有相似的效果。
中国公开号CN 1517070A的发明提出了一种用PPG评估人体紧张度的方法，该发明提供了一种使用PPG的脉搏组份程度，基线的变化，和依照心率产生的PPG的峰至峰间隔的变化，来评估受检验者的紧张，即平静程度的方法。此外，还有通过分析PRV和直接利用PPG的绝对振幅来测量心理压力的方法，绝对振幅虽然和心理活动有一定关联，但是极不稳定。
这些测量认知负载和压力的方法能过通过采集各种生理信号提供可靠的分析结果。然而，这些测量方式在准确性、可靠性和可用性上都存在不同程度的不足，并在实际的应用环境中受到很大的限制。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于周围血管应变的认知负载和压力测量方法与装置，不同于传统的基于周围血管扩张程度测量方法，sVRI使用了PPG信号相邻波段振幅比值，实验发现该指征对于认知负载和压力的反映能力更加灵敏和可靠。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于周围血管应变的认知负载和压力测量方法，包括如下步骤：
通过透射式或者反射式光电传感器采集血管容积波(PPG)信号，并进行滤波，消除噪声；
进行瞬时周围血管应变(sVRI)特征提取；
通过动态滑动窗口整理和基于统计学的数据调制，获得连续稳定的sVRI输出；
最后使用sVRI评估认知负载和压力水平。
所述PPG信号通过如下方式采集：
通过透射式或者反射式光电传感器，传感器采用三种波段的光中的任一种或者几种，三种波段为红光、红外光和绿光，波长分别为660nm、940nm和570nm，通过透射式光电传感器采集时，光接收器与发射器相对；通过反射式光电传感器采集时，光接收器与发射器在同侧。
所述sVRI特征提取的方法是：
每个PPG波形对应的瞬时sVRI标准特征定义为PPG波形相邻波段中，上升沿和下降沿的平均振幅的比值，由此获得多个瞬时sVRI标准特征。
所述连续稳定的sVRI输出的获取过程为：
采用动态滑动窗口，把连续PPG波形通过窗口滑动的方式，使每个窗口包括一系列连续的PPG波形，即包括一系列连续的瞬时sVRI，每个窗口内部采用基于统计学的数据调制处理窗口包含的瞬时sVRI，一个窗口只输出一个稳定的sVRI，作为这个窗口的输出，由此得到连续稳定的sVRI输出。
所述基于统计学的数据调制方法为：
在每个窗口内，采用基于正态分布的sVRI滤波与稳定策略，对窗口内数据进行基于正态分布假设的异常数据(outlier)滤波和数学期望提取，最后的数学期望即该窗口的sVRI输出。
本发明还提供了一种基于周围血管应变的认知负载和压力测量装置，包括：
信号采集单元，该单元采用透射式或者反射式光电传感器采集PPG信号；
信号处理单元，该单元进行sVRI特征提取，动态滑动窗口整理和基于统计学的数据调制，得到连续稳定的sVRI输出。
所述透射式或者反射式光电传感器采用三种波段的光中的任一种或者几种，三种波段为红光、红外光和绿光，波长分别为660nm、940nm和570nm，通过透射式光电传感器采集时，光接收器与发射器相对；通过反射式光电传感器采集时，光接收器与发射器安装在同侧。
装置还可包括信号预处理单元，设置于信号采集单元之后，信号处理单元之前，将所述PPG信号进行放大滤波以去除噪声。
装置还可包括信号输出与显示单元，将所述连续稳定的sVRI输出提供至管理机并进行显示。
所述连续稳定的sVRI输出的获取过程为：
将每个PPG波形对应的瞬时sVRI标准特征定义为PPG波形相邻波段中，上升沿与下降沿的平均振幅的比值，由此获得多个瞬时sVRI标准特征；
采用动态滑动窗口，把连续PPG波形通过窗口滑动的方式，使每个窗口包括一系列连续的PPG波形，即包括一系列连续的瞬时sVRI，每个窗口内部采用基于统计学的数据调制处理窗口包含的瞬时sVRI，一个窗口只输出一个稳定的sVRI，作为这个窗口的输出，由此得到连续稳定的sVRI输出；其中所述基于统计学的数据调制方法为：
在每个窗口内，采用基于正态分布的统计学的sVRI稳定策略，对窗口内数据进行基于正态分布假设的异常数据(outlier)滤波和数学期望提取，最后的数学期望即该窗口的sVRI输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于周围血管应变的认知负载和压力测量技术在测量人的认知负载和心理压力等心理活动时的灵敏度、可靠性和个体差异等方面具有比较明显的优势，并可以实时测量。同时，该测量设备可以很好的应用在普适环境中。
附图说明
图1为基于sVRI的认知负载和压力测量流程图。
图2为sVRI信号获取与数据处理流程。
图3为sVRI标准特征定义。
图4为动态滑动窗口整理过程示意图。
图5为统计学数据调制过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明的基于sVRI的认知负载和压力测量过程如图1所示，首先通过光电传感器采集PPG信号；其次进行软件层的数字滤波，消除人造噪声，进一步提高PPG信号质量；再次基于滤波后的数据，进行sVRI特征抽取；再通过动态活动窗口和基于统计学的稳定策略，最终获得稳定连续的sVRI输出，用于评估用户的认知负载和压力程度。
本发明sVRI输出基于传统的PPG信号进行处理而获得。图2给出了本发明采用的sVRI生理信号采集与处理的基本流程，sVRI的信号输入采用原始的PPG波形，通过透射式或者反射式光电传感器获取，传感器采用三种波段的光，即红光(波长660nm)、红外光(波长940nm)和绿光(波长570nm)，在应用中也可采用其中任意一种。
透射式传感器采集时，光接收器与发射器相对；反射式传感器采集时，光接收器与发射器在同侧。投射式传感器主要在指端进行信号采集，反射式传感器则可以在指端、手掌和手腕等处进行信号采集。
基于PPG波形，首先将对之进行标准滤波，以抵抗人造噪声(artifacts)和进一步提高数据质量。一般情况下，使用0.5Hz的高通滤波器和5Hz的低通滤波器对输入的PPG信号进行滤波。然后基于滤波后的数据，即可进行sVRI的标准特征提取，以获得瞬时sVRI的数值。
sVRI的标准特征如图3定义，图3左半部分是人体在没有受到情感刺激时的周围血管扩张程度在PPG波形的反映，分两个波段，左端的平均振幅是A1、右端的平均振幅是A2。右半部分显示的是有心理压力刺激的血管扩张程度变化情况，其中A1和A2均有明显变化。每个PPG波形对应的瞬时周围血管应变(sVRI)标准特征定义为PPG波形相邻波段的平均振幅的比值，即如图2和图3中所示的A2/A1。
为了输出连续的sVRI波形，本发明采用动态滑动窗口，把连续PPG波形通过窗口滑动的方式，使每个窗口可以输出一个稳定的sVRI，而不是每个PPG波形输出一个sVRI，这样可以避免sVRI因为人体自身物理状态(如体态变化、遗留的人体噪声)不稳定带来的信号突变。后续窗口较之前窗口有一定的后移，后移的步长、窗口大小与输出数据率、响应速度均有关系，需要具体分析确定。
如图4所示：通过滤波之后的PPG波形，采用滑动窗口策略，从窗口1后移两个脉动周期到窗口2，再后移两个脉动周期滑动到窗口3，并继续滑动。窗口的大小从开始逐渐增大，到一定程度后保持稳定，但也可以根据实时情况调整窗口大小，保证窗口内有足够有效多PPG波形。最终，每一个窗口输出一个sVRI值，并输出连续的sVRI波形。
在每一个窗口内，将采用基于正态分布的sVRI滤波与稳定策略。假设窗口内实时sVRI符合正态分布，则可以对窗口内数据进行异常数据滤波和数学期望提取，最后的期望即该窗口的输出sVRI指数。通过这样的处理，sVRI输出将更加稳定可靠。
如图5所示：在每个窗口内，计算PPG波形每个脉动周期的sVRI值。首先假设每个窗口内的sVRI样本服从正态分布，并将这些sVRI通过离群值测试，本专利采用Grubbs测试对异常数据进行过滤，经过过滤后得到一组sVRI数值，计算其数学期望，即为该窗口的sVRI值。
本发明的同时提供了一种基于周围血管应变(sVRI)的认知负载和压力测量装置，该装置包括：信号采集单元，该单元采用透射式或者反射式光电传感器采集PPG信号，可使用红光(波长660nm)、红外光(波长940nm)或绿光(波长570nm)，获取PPG信号，透射式测量方法将主要在经典的指端位置测量，反射式方法可以在指端、手掌、手腕等部位进行测量；放大滤波单元，该单元将采集到的信号放大到预定水平，并去除噪声；信号处理单元，该单元进行周围血管应变(sVRI)特征提取，动态滑动窗口整理和基于统计学的数据调制。
本发明采用实验的方式来测试sVRI对认知负载和压力的测量能力。所采用的实验是心理学领域用来激发认知负载(心理投入)和心理压力的经典算数计算题实验，即通过设置不同的计算难度(任务级别)，以区分不同大小的认知负载。但该实验有一个重要的假设前提，即受试人员主观愿意投入足够努力去完成计算任务，否则实测的sVRI值与预设的认知负载大小就会不一致，从而扰乱正确的判断和分析。在实验中，需要通过结合计算成绩、调查问卷的方式来综合判断用户是否投入了主观努力。
实验场所要选取稳定、安静、舒适、温度湿度适宜、电磁安全的环境。每次实验都会进行30分钟左右的前准备过程，以让实验人员和被试人员交流、被试人员的心情放松和休息，同时可以测量实验前的基准生理指标(baseline)。实验过程一般不超过40分钟，实验结束后会进行20-30分钟的休息，观察心理恢复过程，并进行问卷调查。
数据处理中，必要的信号处理主要采用实时测量硬件上的算法结合LabVIEW分析软件，数据分析将利用SPSS软件，主要采用repeated-measuresANOVA和t检验等统计分析方法，进行显著性水平为0.05的双侧检验。
通过实验发现，放松状态下受试人员sVRI的测量数值要比做题时小，同时，做难题的实验(高难度任务)要比做简单题实验(低难度任务)时所测得的sVRI的数值更大。这说明认知负载越大，压力越大，sVRI的测量数值也更大。

Claims (6)

1.一种基于周围血管应变的认知负载和压力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过透射式或者反射式光电传感器采集血管容积波(PPG)信号，并进行滤波，消除噪声；
进行瞬时周围血管应变(sVRI)特征提取，方法是：每个血管容积波(PPG)信号波形对应的瞬时周围血管应变(sVRI)标准特征定义为血管容积波(PPG)信号波形相邻波段中，上升沿和下降沿的平均振幅的比值，由此获得多个瞬时周围血管应变(sVRI)标准特征；
通过动态滑动窗口整理和基于统计学的数据调制，获得连续稳定的周围血管应变(sVRI)输出，过程为：采用动态滑动窗口，把连续血管容积波(PPG)信号波形通过窗口滑动的方式，使每个窗口包括一系列连续的血管容积波(PPG)信号波形，即包括一系列连续的瞬时周围血管应变(sVRI)，每个窗口内部采用基于统计学的数据调制处理窗口包含的瞬时周围血管应变(sVRI)，一个窗口只输出一个稳定的周围血管应变(sVRI)，作为这个窗口的输出，由此得到连续稳定的周围血管应变(sVRI)输出；在每个窗口内，采用基于正态分布的周围血管应变(sVRI)滤波与稳定策略，对窗口内数据进行基于正态分布假设的异常数据(outlier)滤波和数学期望提取，最后的数学期望即该窗口的周围血管应变(sVRI)输出；
最后使用周围血管应变(sVRI)评估认知负载和压力水平。
2.根据权利要求1所述基于周围血管应变的认知负载和压力测量方法，其特征在于，所述血管容积波(PPG)信号通过如下方式采集：
通过透射式或者反射式光电传感器，传感器采用三种波段的光中的任一种或者几种，三种波段为红光、红外光和绿光，波长分别为660nm、940nm和570nm，通过透射式光电传感器采集时，光接收器与发射器相对；通过反射式光电传感器采集时，光接收器与发射器在同侧。
3.一种基于周围血管应变的认知负载和压力测量装置，其特征在于，包括：
信号采集单元，该单元采用透射式或者反射式光电传感器采集血管容积波(PPG)信号；
信号处理单元，该单元进行周围血管应变(sVRI)特征提取，动态滑动窗口整理和基于统计学的数据调制，得到连续稳定的周围血管应变(sVRI)输出，过程为：
将每个血管容积波(PPG)信号波形对应的瞬时周围血管应变(sVRI)标准特征定义为血管容积波(PPG)信号波形相邻波段中，上升沿与下降沿的平均振幅的比值，由此获得多个瞬时周围血管应变(sVRI)标准特征；
采用动态滑动窗口，把连续血管容积波(PPG)信号波形通过窗口滑动的方式，使每个窗口包括一系列连续的血管容积波(PPG)信号波形，即包括一系列连续的瞬时周围血管应变(sVRI)，每个窗口内部采用基于统计学的数据调制处理窗口包含的瞬时周围血管应变(sVRI)，一个窗口只输出一个稳定的周围血管应变(sVRI)，作为这个窗口的输出，由此得到连续稳定的周围血管应变(sVRI)输出；其中所述基于统计学的数据调制方法为：
在每个窗口内，采用基于正态分布的统计学的周围血管应变(sVRI)稳定策略，对窗口内数据进行基于正态分布假设的异常数据(outlier)滤波和数学期望提取，最后的数学期望即该窗口的周围血管应变(sVRI)输出。
4.根据权利要求3所述基于周围血管应变的认知负载和压力测量装置，其特征在于，所述透射式或者反射式光电传感器采用三种波段的光中的任一种或者几种，三种波段为红光、红外光和绿光，波长分别为660nm、940nm和570nm，通过透射式光电传感器采集时，光接收器与发射器相对；通过反射式光电传感器采集时，光接收器与发射器安装在同侧。
5.根据权利要求3所述基于周围血管应变的认知负载和压力测量装置，其特征在于，还包括信号预处理单元，设置于信号采集单元之后，信号处理单元之前，将所述血管容积波(PPG)信号进行放大滤波以去除噪声。
6.根据权利要求3所述基于周围血管应变的认知负载和压力测量装置，其特征在于，还包括信号输出与显示单元，将所述连续稳定的周围血管应变(sVRI)输出提供至管理机并进行显示。
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